Analise do balanço hídrico e do albedo nas áreas de mangue do litoral sul de Pernambuco

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1 Analise do balanço hídrico e do albedo nas áreas de mangue do litoral sul de Pernambuco Johnny Mayron Santana Ferreira ¹ Ygor Cristiano Brito Morais ¹ Henrique dos Santos Ferreira ¹ Hewerton Alves da Silva ¹ Pedro dos Santos Ferreira ¹ Viviane Pedroso Gomes ¹ Josicleda Domiciano Galvíncio ¹ ¹ Dept. Ciências Geográficas, Universidade Federal de Pernambuco - UFPE Av. Prof. Moraes Rego, Cidade Universitária - CEP: Recife PE, Brasil johnnymayron@hotmail.com, henriquehsf86@hotmail.com, he.wasufpe@gmail.com, pedro_spe@hotmail.com, vivigomes246@hotmail.com, josicleda@hotmail.com Abstract. The south coast of Pernambuco is characterized by the presence of mangroves that its occurrence has, among other factors, related to humid climates. The climate of the south coast of Pernambuco has characteristics like high humidity and high temperatures. Due to wet soils and presence of mangrove vegetation, this area tends to have low values of surface albedo. This study aims to correlate Water Balance with the Surface Albedo values, using as analysis support the moisture content NDWI. To this end, it was obtained water balances for prior periods to images for a better understanding of the behavior of surface albedo. Letters of Albedo and NDWI were generated from the TM sensor images from satellite Landsat TM 5, however, has been before submitted to the geometric correction using the first-order polynomial interpolation for subsequent computations of radiance, reflectance, planetary albedo, surface albedo and NDWI. The surface albedo varied according to rainfall that occurred days before the date of the picture, because it shows lower values due to the presence of water. The water balance showed a strong correlation with the surface albedo. The correlation between surface albedo and water balance was satisfactory in the area with the presence of mangrove vegetation. Through the correlation between the water balance and the surface albedo it was obtained a positive result thereby enabling the possibility of spatial and temporal analysis using them as tools. Palavras-chave: índice de umidade, sensoriamento remoto, imagens de satélite, precipitação, wetness content, remote sensing, satellite images, rainfall 1. Introdução As características da vegetação natural dependem das relações dinâmicas dos padrões morfológicos e climáticos das áreas na qual estão inseridas, que dependem da localização geográfica (Jensen, 29). O litoral sul de pernambucano é caracterizado pela ocorrência da vegetação de mangue presente nas áreas estuarias, os quais tem sua ocorrência relacionada com áreas de clima úmido. Um indicador da presença da vegetação de mangue é dado através do Albedo da Superfície (AS) devido aos seus valores que tendem a diminuir conforme o aumento das áreas de vegetação densa e solos úmidos (Blad e Backer, 1972; Robinove et al, 1981), características notáveis deste tipo de vegetação. O AS é definido como a razão entre toda a energia solar refletida e a quantidade de energia eletromagnética incidente (Pereira et al. 27; Silva et al. 29). O Balanço Hídrico (BH) proposto por Thornthwaite & Mather (1955) é um índice que tende a auxiliar na validação do AS através dos dados de Evapotranspiração Real (ETR) Evapotranspiração Potencial (ETP) e Precipitação (P), pois, indica o fator de umidade do clima (Camargo e Camargo, 1993), realizando assim uma correlação com o AS que é influenciado pela presença de lâmina d água (Gielow et al, 1999). Tendo em vista uma análise mais detalhada da umidade presente na área de estudo obteve-se o Normalized Difference Warter Index NDWI, índice proposto por Gao (1996), que 314

2 mede a presença de água presente na vegetação e tem sido usado em trabalhos para corroborar com os resultados do AS, a exemplo os de Peña (29) e Oliveira et al, (21). Diante do contexto listado, este trabalho tem como objetivo correlacionar o Balanço Hídrico com os valores do Albedo da Superfície, utilizando como suporte à análise o índice de umidade NDWI. 2. Metodologia de trabalho 2.1. Área de estudo O estudo foi realizado nas áreas de vegetação de mangue do litoral sul do estado de Pernambuco entre os municípios de Cabo de Santo Agostinho e Rio Formoso (Figura 1). A área está inserida na Planície Costeira, de origem sedimentar e altitude que variam de a 1 metros, que apresenta um conjunto de feições onde sobressaem praias, restingas (terraços marinhos), manguezais (formações palustres ou lamacentas), várzeas fluviais permanentemente alagadas, várzeas e terraços (CPRH, 21). O clima da região é, segundo a classificação de Köppen, As com a estação chuvosa compreendida entre outono e inverno, sendo caracterizada também por altos índices pluviométricos principalmente durante a estação chuvosa, tendo uma média anual de 23 de precipitação pluviométrica. Quanto à hidrografia a área é composta por rios litorâneos que nascem e desaguam no próprio litoral sendo em suas extensões, margeados por vegetação de mangues, restingas e coqueirais. (CPRH, 21). Figura 1. Localização da área de estudo, municípios de Cabo de Santo Agostinho, Ipojuca, Sirinhaém e Rio Formoso, no sentido Norte Sul Dados pluviométricos e de temperatura Dados pluviométricos e de temperatura foram utilizados para a realização do balanço hídrico diário do mês anterior a cada uma das três imagens utilizadas neste trabalho, visto que a precipitação tende a alterar os valores do NDWI e do AS. Os dados foram obtidos através da 3141

3 Agência Pernambucana de Águas (APAC) e posteriormente analisados na planilha do Microsoft Excel formulada por Rolim et al (1998) para gerar os gráficos Processamento das imagens Neste trabalho foram utilizadas três imagens do satélite Landsat 5 obtidas a partir do sensor Thematic Mapper (TM), cujo órbita e ponto são 214/66, com datas de imageamento em 1/7/1989, 4/8/1998 e 6/9/21, ambas adquiridas no catálogo de imagens do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). As cenas seguiram os processos de empilhamento das bandas, correção geométrica aplicando o método de interpolação de primeira ordem e recorte da área dos mangues estudados, para posterior processamento Calibração radiométrica A calibração radiométrica (Equação 1) consiste na conversão do número digital (ND) de cada pixel e banda em radiação espectral monocromática, essas radiâncias representam a radiação solar refletida por cada pixel da imagem, permitindo obter o saldo de radiação à superfície (Rn), primeira componente do Balanço de Energia a ser obtida. A radiância de cada pixel e banda foi obtida pela equação proposta por (Markham e Baker, 1987): L λi bi a a i 255 i ND (1) Em que: a e b são as radiâncias espectrais mínima e máxima ( Wm sr μm ) ND é a intensidade do pixel (valor inteiro entre e 255) e i corresponde às bandas (1, 2,... e 7) dos satélites Landsat Reflectância A reflectância (Equação 2) de cada banda ( L λi ) é definida como sendo a razão entre o fluxo de radiação solar refletido pela superfície e o fluxo de radiação solar global incidente, que é obtida através da equação (Allen et al., 22): ρ λi k λi π.lλi.cos Z.d r (2) Em que: L λi é a radiância espectral de cada banda, k λi é a irradiância solar espectral de cada banda no topo da atmosfera (Wm ² μm ¹), Z é o ângulo zenital solar e dr é o quadrado da razão entre a distância média Terra-Sol (ro) e a distância Terra-Sol (r) em dado dia do ano (DSA) Vetorização Após a obtenção da reflectância, foram gerados vetores dos mangues do litoral analisados nesta pesquisa, com o intuito de isolar os valores e assim facilitar a interpretação, deixando os dados mais precisos NDWI (Normalized Difference Warter Index) O NDWI é obtido pela relação entre duas bandas no espectro infravermelho, equivalentes às bandas 4 e 5 do satélite Landsat 5, correspondentes às bandas do infravermelho próximo com comprimentos de onda entre,76,79 μm, e infravermelho médio com medida entre 3142

4 1,55 1,75 μm. Para o cálculo do NDWI utilizou-se o método proposto por Gao (1996), através da Equação 3 descrita a seguir: NDWI Piv Piv Pmir Pmir (3) Em que: Piv corresponde a banda 4 e Pmir 5 do satélite Landsat 5. Segundo Gao (1996) o NDWI estima a quantidade de água presente na vegetação Albedo Planetário A Etapa 4 representa o cômputo do albedo planetário (α toa ), isto é, o albedo não ajustado a transmissividade atmosférica, que é obtida pela combinação linear das reflectâncias monocromáticas: αtoa,293ρ,274ρ,233ρ,157ρ,33ρ,11ρ (4) Em que: ρ 1,ρ2,ρ3,ρ4, ρ5 e ρ 7 são os albedos planetários das bandas 1, 2, 3, 4, 5 e Albedo da Superfície Na Etapa 4 obtém-se o cômputo do AS ou albedo corrigido para os efeitos atmosféricos α, pela equação: 5 7 α α α (5) toa p 2 τsw Em que: α toa é o albedo planetário, α p é a reflectância da própria atmosfera, que varia entre,25 e,4, mas para o modelo SEBAL tem sido recomendado o valor de,3, com base em Bastiaanssen (2) e τ sw é a transmissividade atmosférica que para condições de céu claro, pode ser obtida por (Allen et al., 22): τ sw 5, z (6) Em que: z é a altitude de cada pixel (m). Se o usuário já dispuser de um DEM da sua área de interesse, o mesmo poderá calcular a transmissividade de cada pixel, o que é recomendado para áreas com topografia muito acentuada. Para efeito de simplificação, utilizemos z = 2 m que representa a altitude de algum ponto da imagem, sendo admitido que na área da Figura 2 a mesma era constante para todos os pixels, obtendo-se τ, Resultados e Discussão 3.1. Análise do balanço hídrico Conforme análise do balanço hídrico (Figura 2) nota-se que houve uma variação dos valores das Precipitações (P) e Evapotranspiração Potencial (ETP), fator que influencia diretamente os valores de albedo da superfície. Os anos que apresentaram maiores valores de P no mês anterior foram os mesmos que apresentaram menores valores de deficiência hídrica, indicando que nos valores de albedo da superfície observados nas figuras 3 e 4 precedidas de dias menos chuvosos, a vegetação de mangue sofreu maior ETP devido as maiores temperaturas, sendo assim, as imagens precedidas de dias mais chuvosos são aquelas em que a vegetação sofreu menor evapotranspiração e consequentemente os valores de albedo sw 3143

5 mantiveram-se menores. É perceptível também que nos balanços hídricos de 1989 e 1998 houve P poucos dias antes da passagem da obtenção das imagens /jun 17/jun 24/jun 1/jul 8/jul a /jun 17/jun 24/jun 1/jul 8/jul b c /jul 1/jul 16/jul 22/jul 28/jul 3/ago 5 d /jul 1/jul 16/jul 22/jul 28/jul 3/ago /ago 13/ago 2/ago 27/ago 3/set e 5 f /ago 13/ago 2/ago 27/ago 3/set Figura 2. Extrato do balanço hídrico (a; c; e) e balanço hídrico (b; d; f) de um mês anterior as datas 1/7/1989 (a; b), 4/8/1998 (c; d) e 6/9/21 (e; f) Análise do NDWI Ao analisar o NDWI (Figura 3) observa-se que o índice foi sensível a presença de vegetação de mangue, visto que, por se tratar de um tipo de vegetação que ocorre em áreas úmidas e o NDWI é capaz de mensurar a quantidade de água presente na vegetação (Gao, 3144

6 1996) os valores de NDWI mantiveram-se superiores a,35. A correlação do NDWI com a vegetação de mangue é facilmente percebida em todas as cartas de NDWI, mesmo as precedidas por menores índices de precipitação no mês anterior (Figura 2d e 2f. a b c Figura 3. NDWI das datas de 1/7/1989, 4/8/1998 e 6/9/21, representados pelas letras a, b e c, respectivamente. Observa-se também que em pequenas áreas houve alteração dos valores devido à variação de precipitação de poucos dias antes da imagem por conta da sensibilidade do NDWI a quantidade de água. O NDWI conseguiu distinguir alguns alvos dentro da vegetação de mangue, fato possível de ser observado devido à diversidade da vegetação de mangue tanto no que diz respeito ao porte, quanto à densidade das mesmas na área, destacando assim mais uma característica do índice que mede a presença de água mesmo em várias folhas sobrepostas sem saturar, como outros índices de vegetação (Gao, 1996) Análise do Albedo da Superfície Analisando o AS (Figura 4) observa-se que existe a predominância de um intervalo de valores em todas as imagens, excetuando-se pequenos pontos de solo exposto ou de água, caracterizando assim uma diferença entre os valores de albedo do mangue, mesmo em uma área úmida, com solos úmidos e vegetação densa, mas não negando o que diz a literatura sobre o AS tendem a ser menores em superfícies úmidas, escuras e rugosas, e maiores 3145

7 valores em superfícies secas, claras e suaves (Correia et al, 22 apud Giongo, 28) visto que o albedo não supera a taxa de 2%. a b c Figura 4. Albedo da Superfície das datas 1/7/1989, 4/8/1998 e 6/9/21, representados pelas letras a, b e c, respectivamente. Ainda analisando o AS, nota-se que a predominância dos valores encontrados na Figura 4a e 4b são bastante semelhantes, porém diferem dos mesmos encontrados na Figura 4c, tal fato é devido à precipitação ocorrente poucos dias antes das datas da imagem, que podem ser notadas nas figuras do BH 2b, 2d e 2f. Sendo assim clara a correlação do AS com o BH visto que os valores de precipitação anterior a data das imagens exibidos pelo BH corroboram com os baixos valores do AS. No que diz respeito ao NDWI nota-se que os valores deste tendem a ser mais elevados quando os valores de AS são menores, corroborando assim com Oliveira et al 21 que também obteve essa relação inversa de valores entre o NDWI e o AS. 4. Conclusões Nas áreas de vegetação de mangue do litoral sul de Pernambuco, foi possível obter uma positiva correlação entre o BH e o AS, habilitando com isso a possibilidade de realizações de pesquisas espaço-temporais utilizando ambos como ferramentas. O NDWI apresentou correlações com o BH, principalmente na relação com a precipitação de poucos dias antes das imagens utilizadas, já com o albedo da superfície notou-se uma relação inversa entre seus valores. 3146

8 Já o NDWI destacou mais as áreas de vegetação de diferentes portes ou densidades dentro do mangue. Notou-se ainda o aumento dos valores do NDWI em áreas valores de AS mais baixos. Referências Allen, R.G., Tasumi, M e Terezza. R. Sebal Surface Energy Balance Algorithms for Land. Advanced Training and User Manual, version 1., pp. 98, 22. Bastiaanssen, W.G.M. SEBAL-based sensible and latent heat fluxes in the irrigated Gediz Basin, Turkey. Journal of Hydrology, 229:87-1, 2. Blad, B. L., Backer, D. G. Reflected radiation from a soybean crop. Agronomy Journal, v. 64, p , Camargo, M.B.P., Camargo, A.P. Representação gráfica informatizada do extrato do balanço hídrico de thornthwait e mather. Bragantia, Campinas, v. 52, n.2, CPRH. 21. Diagnóstico Socioambiental do Litoral Sul de Pernambuco. CPRH. 87p. Gao, B.C. NDWI A Normalized Difference Water Index for remote sensing of vegetation liquid water from space. Remote sensing of Environment, v.58, p , Gielow, R.; Santos Alvalá, R. C.; Hodnett, M. G.; Souza, A. Albedo no Pantanal Sul- Matogrossense durante e após o período de inundação de In: XI Congresso Brasileiro de Agrometeorologia / II Reunião Latino Americana de Agrometeorologia, Florianópolis, Anais... CDROM, p Giongo, P.R. 28. Estimativa do balanço de radiação com técnicas de sensoriamento remoto e dados de superfície. Dissertação de Mestrado (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Universidade Federal Rural de Pernambuco. Departamento de Tecnologia Rural. 92p. Jensen, J.R. 29. Sensoriamento remoto do ambiente: uma perspectiva em recursos terrestres. São José dos Campos: Parêntese, 64 p. Oliveira, T. H., Machado, C. C. C., Silva, J. S., Galvíncio, J. D., Pimentel, R. M. M., Silva. B. B. Índice de umidade (NDWI) e análise espaço-temporal do albedo da superfície da bacia hidrográfica do rio Moxotó-PE. Revista Brasileira de Geografia Física, v.3, p.55-69, 21. Peña, M. A. Examination of the land surface temperature response for Santiago, Chile. Photograetric Engineering & Remote Sensing. v. 75, n. 1, October 29, pp Pereira. G.; Moraes, C. E.; Arai, E.; Oliveira, L.G.L. Estudo preliminar da estimativa da reflectância e albedo de microssistemas pantaneiros a partir de imagens de satélite. Revista Brasileira de Cartografia, no 59/1, p , 27. Robinove, C.J.; Chavez, P.S.; Gehring, D.; Holmgren, R Arid Land Monitoring Using Landsat Albedo difference Images. Remote Sensing of Environment. 11, Silva, L.; Costa, J. F. F.; Lima, E. R. V.; Almeida, H. A. Análise do albedo e do Índice de Vegetação da Diferença Normalizada (NDVI) em uma bacia hidrográfica, usando o SEBAL - Surface Energy Balance Algorithm for Land. XIII SBGFA, 54, UFV - Viçosa, MG, 29. Rolim,G.S.;SENTELHAS,P.C.;Barbieri, V. Planilhas no ambiente EXCEL TM para os cálculos de balanços hídricos: normal, sequencial, de cultura e de produtividade real e potencial. Revista Brasileira de Agrometeorologia, Santa Maria, v. 6,n.1,p ,